利用四靶閉合場非平衡磁控濺射(CFUBMS)技術在石英玻璃和拋光不銹鋼片兩種基底上制備含有Cr、Ti和Al元素組合的各種氮化物涂層。采用摩擦磨損儀測試涂層摩擦系數,應用金相顯微鏡對各個涂層磨痕形態進行分析,結果表明TiN、CrN、TiAlN、CrAlN以及CrTiAlN涂層的摩擦系數依次減小,耐磨特性依次提高;結合涂層的X射線光電子能譜分析,可以得到含有Al元素涂層中形成了AlN的結構,提高涂層的硬度,增加耐磨特性;在涂層中含有Cr元素形成了氧化物Cr2O3可以提高涂層自排屑能力,減小摩擦系數,增加耐磨特性,含Ti元素形成的氧化物TiO2則不利于涂層的摩擦磨損特性;由于CrTiAlN本身具有比三元氮化物更高的涂層硬度,且含有Al和Cr元素,因此該涂層具有最好的摩擦磨損性能。

　　現代工業生產中各種機械切削和耐磨損部件對硬度、耐磨性、抗氧化性等綜合機械性能的要求不斷提高，使得各種硬質涂層技術應運而生，并被廣泛的應用。

　　目前，硬質涂層主要集中在過渡族元素的碳、氮和氧化物，因為它們具有高硬度、耐磨性好、化學性能穩定、耐熱耐氧化等優點。其中以Ti和Cr 兩種金屬元素為基礎開發的涂層種類最多，且研究最多，應用最廣，構成了PVD 過渡族元素化合物中最大的兩個涂層體系，即Ti 基和Cr 基涂層體系。其中，二元涂層CrN 具有韌性高、耐磨性好、膜與基體結合強度高、抗高溫氧化性和抗腐蝕性好，以及內應力低（膜層可以做到厚達50 μm)等優點，近年來成為研究的熱門，并已在切削刀具(尤其是有色金屬切削)、模具、汽車、餐具、防腐和裝飾等領域取得了很好的應用效果。而二元的TiN 涂層具有高硬度、高耐磨性和高耐腐蝕性的特點，被廣泛應用于刀具和裝飾涂層。TiN 的顯微硬度高于CrN (CrN 約HV1750，TiN 約HV2300)，但CrN 抗氧化性、韌性高于TiN，隨著工業的進一步發展，單一的二元涂層很難滿足工業上提出的新要求，因此多元多層涂層是目前研究的熱點課題。

　　Ti 基和Cr 基氮化物涂層多元技術研究涉及到的金屬元素有很多種，其中最具代表性的當屬于Al 元素。Al 的加入使TiN 和CrN 形成的三元TiAlN 和CrAlN，或四元TiCrAlN 涂層在硬度、耐高溫和耐磨損性能上都有明顯的提高。目前，對于不同元素組合的氮化物涂層的應力、硬度、彈性模量密度等進行了詳細的研究。但有關文獻對于添加不同金屬元素對摩擦系數的影響缺乏系統的研究，尤其是添加不同金屬元素后摩擦系數沒有系統的相對比較研究。

　　本文針對CrN 和TiN，以及加入Al 元素后形成的TiAlN、CrAlN 和CrTiAlN 涂層的摩擦系數進行了綜合對比研究，得到氮化物涂層含有不同金屬元素時，對摩擦系數的影響關系，對于指導設計不同的膜系結構，提高膜層的摩擦特性，開發新工藝和應用都具有重要的參考價值。

實驗

實驗裝置

　　采用四靶閉合場非平衡磁控濺射真空鍍膜機進行實驗樣品制備，為了能夠方便地添加不同的金屬元素，鍍膜機選用四個單質靶材，分別為Cr、Ti、Cu 和Al 靶，如圖1 所示。靶電流可以通過調節靶功率大小來控制。

　　單質靶材與合金靶相比，其優點是可以通過調節靶功率控制靶電流，從而控制摻雜不同元素的成分，缺點是可調節參數多，穩定性差。

　　通過對幾種氮化物涂層的摩擦磨損結果分析，綜合比較得到如下結論：

　　(1) 含Cr 元素的氮化物涂層，摩擦磨損中Cr的氧化物可以提高涂層的自排屑能力，使薄膜具有一定的自潤滑特性；然而含有Ti 元素的氮化物涂層中易于形成耐磨性差，自排屑性能差的TiO2，因此，Cr 元素的氮化物涂層摩擦磨損特性明顯好于含Ti 元素的涂層；

　　(2) 加入Al 元素后，由于Al 元素在氮化物涂層中與N 結合形成AlN，這會顯著減小晶粒尺寸，提高薄膜硬度，增加涂層耐磨特性；

　　(3) Cr，Al，Ti 元素的三元和四元的氮化物涂層較其二元的氮化物具有較高的硬度，同時具有更好的耐磨特性與較小的摩擦系數，特別是四元氮化物CrTiAlN 的摩擦磨損性能在幾種涂層中最優。這對實際工業生產與涂層應用也有著積極的指導意義。